УДК 620.179.14

М.Б. Аркулис, Ю. И. Савченко, Н. И. Мишенева

ГОУ ВПО «Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И.Носова»

Магнитное поле рассеяния на поверхности упруго-деформированного протяженного объекта.

Металлоконструкции, выполненные из ферромагнитных материалов в процессе эксплуатации подвержены действию циклических упругих напряжений и внешних магнитных полей. В результате происходит изменение магнитного состояния объекта. Причиной изменения является магнитоупругий эффект [4]. При попытке  теоретического описания изменения намагниченности ферромагнетика возникают определенные сложности из-за необходимости учета таких факторов, как уровень внутренних напряжений и внутренних полей рассеяния, определяющих величину потенциальных барьеров 90 и 180-градусных доменных границ, текстура, анизотропия зерен, механизм давления на доменные границы, скачкообразный характер перестройки доменной структуры и т.д. В [1] предложена феноменологическая модель описания магнитоупругих изменений намагниченности ферромагнетиках при тензорном характере нагружения в слабых магнитных полях. В образце из стали марки Ст3 в форме стержня, подверженного циклическим нагрузкам наблюдается рост намагниченности насыщения при увеличении нагрузки. Аналогичная зависимость получена для тонкой пластины из стали марки Ст3 и других марок стали [2]. В [3] проводились исследования на ферромагнитной трубе. Магнитоупругие изменения аналогичны. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о возможности создания модели  зависимости упругих напряжений от намагниченности. В статье [3] на основании полученной экспериментальной зависимости прироста намагниченности  (где Н0 – поле Земли, t – время, σ(x,a,r) –  упругие напряжения,  x,a,r – параметры трубы),  получено распределение поля рассеяния Нx и Hr. Полученные результаты согласуются с замерами полей рассеяния трубы.

На основании теории магнитоупругого эффекта и явления остаточной намагниченности при циклических нагрузках, а также опираясь на ряд работ по созданию феноменологических моделей, был разработан и внедрен «Метод магнитной памяти» [5]. Бесспорно, данный метод имеет серьезную теоретическую и экспериментальную основу, однако на наш взгляд, его использование имеет весьма ограниченный характер [6]. Выводы, на основе результатов измерений магнитных полей рассеяния объектов контроля, не носят однозначный характер.

С целью установления корреляционной зависимости напряженности магнитного поля рассеяния и величины упругих напряжений, нами проведены замеры полей рассеяния предварительно размагниченного швеллера №6, длиной 1,5 метра в процессе  нагружения от σ = 0 до σ, превышающего предел упругости. Швеллер горячекатаный, изготовленный из Ст.3. Измерения проводились в магнитном поле Земли, вдоль трех направляющих (1, 2, 3) (рис. 1). Измерялись нормальная Hn и тангенциальная Нτ составляющие магнитного поля рассеяния вдоль направляющих. Измерения величины магнитного поля проводились феррозондовым измерителем Ф-205А в режиме полемера. Швеллер опирался концами на неферромагнитные опоры и подвергался вертикальной центральной нагрузке 3 кН и 5 кН. Упругие напряжения, возникающие при этом   (где М – момент силы, W – момент сопротивления). Далее нагрузка увеличилась до значения, превышающего предел упругости. Результаты измерений Hn и Нτ  представлены на рис.2 и рис.4. При дальнейшем увеличении нагрузки, швеллер пластически деформируется. Затем, путем прикладывания обратной нагрузки, восстанавливается исходная форма швеллера. Измерения величины магнитного поля, после восстановления формы, представлены на рис.3 и рис.5.

Качественный анализ результатов показывает, что наблюдается изменение, как нормальной Hn так и тангенциальной Нτ  составляющих магнитного поля рассеяния. Однако при изменении нагрузки от 3 до 5 кН, значение Hn и Нτ не меняются. Причем тангенциальная компонента никакой информации о характере механического напряжения не несет. По нормальной компоненте, а вернее по отличию графика для каждой направляющей, можно судить о наличии нагрузки и о её характере. Однако о величине нагрузки по ней судить не представляется возможным.

При упругой деформации, поле рассеяния Hn вдоль направляющих не зависит от величины упругих напряжений вдоль данной образующей. Однако, наблюдается уменьшение поля Hn на концах образца. В точке приложения максимальной нагрузки, нет никаких характерных изменений.

Тангенциальная компонента поля рассеяния, также практически не изменяется. При любом режиме из вышеперечисленных, отличия между величинами Нτ  в некоторой точке отсутствуют. Точка приложения максимальной нагрузки, также не имеет характерных признаков.

Установление корреляционной зависимости оказывается затруднительным. Внесение поправки на величину исходного поля до нагружения, предполагает получение зависимости близкой к линейной, поскольку момент силы от края до центра возрастает прямо пропорционально длине. Обработка результатов не дает предполагаемых результатов.

 

 

                      

 

                             

Рис. 1. Швеллер горячекатаный

(1-первая направляющая, 2-вторая направляющая, 3-третья направляющая)


Рис. 2. Распределение нормальной компоненты Hn магнитного поля рассеяния по длине образца.

Рис. 3. Распределение нормальной компоненты Hn магнитного поля рассеяния по длине образца после пластической деформации.

Рис. 4. Распределение тангециальной компоненты Hτ магнитного поля рассеяния по длине образца.

 

Рис. 5. Распределение тангенциальной компоненты Hτ магнитного поля рассеяния по длине образца после пластической деформации.

 

Швеллер был сориентирован таким образом, что продольная составляющая магнитного поля Земли равна нулю. Такая ориентация исключает магнитный гистерезис при циклических нагрузках в области упругих деформаций. Распределение тангенциальной компоненты Hτ магнитного поля рассеяния по длине образца по трем составляющим не зависят от величины нагрузки. Следовательно, при ориентации объекта контроля (балка, труба, ферма и.т.д.) вдоль нулевой компоненты поля Земли, эффект магнитной памяти отсутствует. Аналогичная независимость наблюдается и при пластической деформации.

         Незначительное изменение величины магнитного поля нормальной компоненты Hn магнитного поля рассеяния по длине образца, вероятно можно объяснить влиянием размагничивающего фактора, а точнее фактора формы.

 

Вывод: используя метод контроля, основанный на намагниченности ОК в магнитном поле Земли в результате циклических нагрузок можно судить лишь о наличии нагрузки и о наличии нагрузок превышающих пределы упругости. Однако при этом нужно знать топографию поля до нагружения. Также, необходимо учитывать такие факторы как ориентация объекта контроля в магнитном поле Земли, влияние размагничивающего фактора.

Литература

1.     В.Г.Кулеев, М.Б.Ригмант //Дефектоскопия. 1994. № 9. С. 79-91.

2.     В.Г.Кулеев, М.Б.Ригмант // ФММ. 1995. Т.79. Вып.1. С. 120-129.

3.     В.Г.Кулеев, В.В. Лопатин // Журнал технической физики. 2003. Т.73. Вып.12.

4.     К.П.Белов // Магнитострикционные явления и их технические применения. М. :Наука. 1987. 160 с.

5.     Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М.Метод магнитной памяти металла и приборы контроля.-М.:ЗАО «Тиссо», 2008.-365 с.

6.     Arkulis M.B., Baryshnikov M.P., Misheneva N.I., Savchenko Y.I.

«On Problems of Applicability of the Metal Magnetic-Memory Method in Testing the Stressed-Deformed State of Metallic Constructions». Russian Journal of Nondestructive Testing. No.8. 2009. – Moscow. Pp. 526-528